ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО 6G Российский патент 2024 года по МПК H04W4/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее техническое решение относится к области телекоммуникаций и может быть использовано при проектировании основных узлов базовых станций беспроводных сетей связи пятого и шестого поколений. Обеспечение функционирования перспективных сценариев и приложений в мобильных сетях за пределами 5G предполагает увеличение полосы пропускания до нескольких десятков гигагерц, что требует задействования терагерцового диапазона частот. Представлена схема приемопередающего устройства для работы в миллиметровом диапазоне в полностью электронном исполнении.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В современных беспроводных системах связи, рост скорости передачи данных напрямую связан с повышением спектральной эффективности, осуществляющейся за счет использования передовых методов модуляции, включая квадратурную амплитудную модуляцию 1024-QAM и выше. В мобильных системах связи пятого поколения полоса пропускания 0,1-1 ГГц, скорость передачи данных - до нескольких Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости передачи данных может быть достигнуто за счет освоения миллиметрового диапазона. Ключевым радиотехническим элементом в системах беспроводной связи является приемопередатчик (трансивер), представляющий собой устройство приема и передачи электромагнитных сигналов между пространственно разнесенными объектами. Основные функциональные узлы трансивера, включая гетеродины, усилители и фильтры, осуществляют работу как на прием, так и на передачу сигнала. В рамках полностью электронного подхода, основные функциональные элементы изготавливаются с использованием полупроводниковых транзисторов, максимальная рабочая частота которых устанавливает верхнюю границу частотного диапазона, в котором активные устройства демонстрируют достаточное усиление и приемлемую выходную мощность, на уровне

Генерация мощных и широкополосных сигналов - один из наиболее сложных аспектов при проектировании систем терагерцового диапазона, к которому относят частоты от 100 ГГц до 10 ТГц. Низкая добротность пассивных компонентов и высокая рабочая частота, относительно максимальной частоты , активных устройств являются основными причинами неэффективной генерации сигнала и его низкой выходной мощности. В полностью электронном подходе, в качестве терагерцовых излучателей или генераторов, работающих при комнатной температуре, рассматривают монолитные интегральные СВЧ-схемы на основе транзисторов и монолитные интегральные схемы терагерцового диапазона, в которых используется умножители частоты.

Ключевым недостатком полностью электронного приемопередатчика, на основе существующих технологических процессов производства полупроводниковой электронной компонентной базы, является необходимость использования микросхем смешанной обработки сигналов с высоким разрешением для (де)модуляции сигналов основной полосы частот или промежуточной частоты. Частоты дискретизации данных должны быть по крайней мере в два и четыре раза выше скорости передачи модулированных сигналов основной полосы частот и сигналов промежуточной частоты во избежание наложения спектров. Особенно остро стоит вопрос о снижении сложности преобразователей данных и упрощении методов цифровой обработки сигналов. Было указано, что использование стандартных архитектур приемопередатчиков, включающих энергоэффективный преобразователь данных и базовую полосу, ограничивает передачу данных скоростями 50 Гбит/с. Это обусловлено чрезмерно большим показателем рассеивания мощности в несколько ватт.

Значительные усилия последних лет, по преодолению этих ограничений, были сконцентрированы на поиске решений, совместимых с твердотельными полупроводниковыми технологиями на основе кремния и соединений A₃B₅ в рамках интегральных решений, позволяющих работать при комнатной температуре и достаточно дешевых в массовом производстве. Конечной целью ставится разработка универсальной и реконфигурируемой системы, что подразумевает возможность электронной реконфигурации волнового фронта и поляризации излучаемых терагерцовых полей. Такая универсальность часто требуется для продвинутых приложений и, как правило, отсутствует во многих современных неинтегральных платформах. Определенные успехи, достигнутые на этом пути, можно проиллюстрировать следующими цифрами: полупроводниковые технологии на основе A₃B_S, такие как биполярные транзисторы с гетеропереходом на основе фосфида индия, транзисторы с высокой подвижностью электронов на основе арсенида галлия, характеризуются генерируемыми уровнями мощности в диапазоне 0,1-1 мВт при комнатной температуре на частотах выше 1 ТГц.

Наиболее перспективным выглядит использование полупроводниковых технологий на основе фосфида индия, характеризующегося наибольшим . Однако эти устройства трудно интегрировать с низкочастотными и цифровыми блоками микросхемы, они имеют более низкий выход при большем количестве транзисторов и, следовательно, являются более дорогостоящими. С другой стороны, устройства на основе кремния, намного более привлекательные с точки зрения возможности интеграции и стоимости, ограничены низким значением Самый быстрый транзистор в БиКМОП технологии характеризуется

Интегральное значение шума и общая потребляемая мощность увеличиваются с увеличением полосы пропускания, тем самым ухудшая отношение сигнал/шум. Конструкция схемы с относительной шириной полосы частот, превышающей 30%, неизбежно ведет к деградации характеристик приемопередатчика. Несмотря на сверхвысокие скорости передачи данных в миллиметровом диапазоне в приемопередатчиках, реализованных с использованием полупроводниковых гетероструктур с недостаточная производительность и плотность интеграции, а также высокая стоимость их изготовления являются препятствием на пути использования этой технологии. Кремниевые технологии обеспечивают гораздо более высокий уровень интеграции и могут рассматриваться как предпочтительная платформа для сверхвысокоскоростных трансиверов. В миллиметровом диапазоне коэффициент усиления КМОП-усилителя на каскад невелик, поэтому усилитель должен быть многокаскадным.

При работе с терагерцовыми линиями требуется усиление антенны в диапазоне 20-25 дБи. В настоящее время это обеспечивается либо за счет использования рупорных антенн, что требует интеграции микросхем приемника и передатчика в прямоугольный волновод, либо путем установки микросхем на кремниевые линзы.

Доступность полосы пропускания в 50 ГГц и выше означает, что приемопередатчики, использующие базовые схемы цифровой модуляции, могут по-прежнему обеспечивать скорость передачи данных в несколько гигабит в секунду. Это связано с тем, что работа на несущей частоте выше 100 ГГц обеспечивает широкий спектральный охват при сравнительно небольшой относительной ширине полосы частот порядка 20%, что реализуется с помощью энергоэффективных интегральных схем в кремниевых технологиях.

С точки зрения системного и схемотехнического проектирования, важным преимуществом базовых модуляций, таких как амплитудная, двоичная фазовая и квадратурная фазовая манипуляции, является то, что они могут быть напрямую реализованы в аналоговом тракте. Амплитудная манипуляция - это простейшая схема, которая может непосредственно модулировать высокоскоростные данные в аналоговом тракте. В частности, к настоящему моменту был продемонстрирован приемопередатчик с амплитудной манипуляцией на основной частоте 210 ГГц со скоростью передачи данных 11 Гбит/с и полосой пропускания не менее 22 ГГц. Для повышения спектральной эффективности также представлены передатчик и приемник, которые реализовали фазовую манипуляцию непосредственно в СВЧ-тракте. Тем не менее, вполне очевидно, что достижение скорости передачи данных до 100 Гбит/с с использованием простых, но спектрально неэффективных схем амплитудной, двоичной фазовой и квадратурной манипуляций требует чрезмерно широкой полосы частот в 100 ГГц и более.

Увеличение сложности модуляции приводит к улучшению спектральной эффективности, однако с учетом того факта, что (де)модуляция в современных трансиверах выполняются в цифровой области, вся цепочка смешанных сигналов, аналоговой, основной полосы частот и СВЧ-цепи должны быть способны обрабатывать модулированные сигналы с высоким отношением пиковой мощности к среднему и динамическому диапазону. Кроме того, для реализации модуляции высоких порядков требуются: (а) гетеродин с более низким фазовым шумом, (б) преобразователи данных с более высоким разрешением и (в) СВЧ-цепь с высоким динамическим диапазоном (с учетом как низкой чувствительности, так и высокой линейности), работающих на высоких частотах миллиметрового диапазона.

Из уровня техники известен источник информации US 11394597 от 19 июля 2022 г., раскрывающий архитектуру передатчика для беспроводной связи, которая непосредственно генерирует 4^M-QAM (квадратная амплитудная модуляция) сигнальное созвездие из необработанного потока битов входных данных, и, как следствие, не требует цифро-аналогового преобразователя на пути прохождения сигнала.

Из уровня техники известен источник информации ЕР 3651526 В1, опубликованный 30.03.2022 и раскрывающий способ работы узла в системе беспроводной связи и его устройство. Приемопередатчик, описанный в источнике информации, соединен с процессором и передает и/или принимает радиочастотные сигналы. Процессор может управлять приемопередатчиком для запуска связи или передачи радиочастотных сигналов, включающих различные типы информации или данных, таких как данные голосовой связи. Приемопередатчик включает в себя передатчик и приемник для передачи и приема радиочастотных сигналов. Антенна может облегчать передачу и прием радиочастотных сигналов. В некоторых примерах реализации, когда приемопередатчик принимает радиочастотный сигнал, приемопередатчик может пересылать и преобразовывать сигнал в частоту основной полосы частот для обработки, выполняемой процессором. Приемопередатчик может преобразовывать сигналы с понижением частоты, принятые через приемные антенны, для восстановления сигналов основной полосы частот. Приемопередатчик может включать в себя генератор для преобразования с понижением частоты. Процессор может выполнять декодирование и демодуляцию радиочастотных сигналов, принятых через приемные антенны, для восстановления данных, которые предназначены для передачи передающим устройством.

Недостатком предлагаемого решения является отсутствие работы приемопередающего устройства в субтерагерцовом диапазоне частот.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание приемопередающего устройства для беспроводных сетей связи субтерагерцового диапазона частот, работающего в верхней части миллиметрового диапазона и непосредственной (де)модуляции сигнала в аналоговом тракте без необходимости использования аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразователей.

Техническим результатом, достигающимся при решении вышеуказанной технической задачи, является увеличение скорости передачи данных за счет работы приемопередающего устройства в миллиметровом диапазоне и непосредственной (де)модуляции сигнала в аналоговом тракте.

Заявленный результат достигается за счет работы приемопередающего устройства для беспроводных сетей связи субтерагерцового диапазона частот в верхней части миллиметрового диапазона и непосредственной (де)модуляции сигнала в аналоговом тракте без необходимости использования аналогово-цифрового и цифро-аналогового преобразователей, содержит:

антенну, выполненную с возможностью приема сигнала и передачи его на приемный модуль, а также передачи модифицированного сигнала от передающего модуля на пользовательское устройство, причем антенна встроена в микросхему приемопередатчика в форме двухслойной патч-антенны;

приемный и передающий модули, причем приемный модуль выполнен с возможностью приема и демодуляции сигнала в аналоговом тракте, а передающий модуль выполнен с возможностью модуляции сигнала в аналоговом тракте и передачи модифицированного сигнала на устройства с другой частотой;

каскад усилителя мощности, включающий три дифференциальных каскада и выполненный по схеме с общим истоком, так что нейтрализация обратных связей происходит через перекрестно подключенные конденсаторы; согласование импедансов предыдущего и последующего каскадов осуществляется межкаскадными согласующими трансформаторами;

схему генерации и распределения сигнала, включающую гетеродин и набор умножителей чистоты, причем гетеродин выполнен с возможностью изменения длины волны сигнала и передачи модифицированного сигнала на передающий модуль, так что основной синтезатор использует субгармоническую ФАПЧ меньшей частоты с последующим повышением частоты гетеродина набором умножителей частоты.

Реализация предлагаемого устройства обеспечивает режим работы в миллиметровом диапазоне (100 - 300 ГГц).

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:

Фигура 1. Блок-схема предлагаемого приемопередающего устройства субтерагерцового диапазона частот.

Поз. 1 - приемный и передающий элементы реализованы на одном чипе; поз.2 - приемный тракт трансивера, поз.3 - передающий тракт трансивера.

Фигура 2. Двухслойная патч-антенна.

Поз. 1 - общий вид патч-антенны, поз.2 - линия передачи, поз.3 - эквивалентная электрическая схема патч-антенны, поз.4 - пространственная конфигурация двухслойной патч-антенны и эквивалентная электрическая схема, поз.5 - соединение двухслойной патч-антенны через фидер с приемопередатчиком.

Фигура 3. Усилительный каскад с трансформаторной связью.

Поз. 1 - блок-схема усилительного каскада, поз.2 - отдельный каскад, поз.3 - эквивалентная электрическая схема каскада.

Фигура 4. Блок-схема гетеродина.

Поз. 1 - реализация фазовой автоподстройки частоты, поз.2 - умножитель частоты (в конкретной конфигурации утроитель частоты), поз.3 - дифференциальный буфер, поз.4 - субгармонический смеситель.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту, будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Использование субтерагерцевой области спектра от 30 до 300 ГГц, в особенности в верхней части миллиметрового диапазона от 100 до 300 ГГц, дает возможность обеспечить скорости передачи данных 100 Гбит/с и выше, представляется естественным этапом эволюции беспроводных системы связи 5G.

В полностью электронном исполнении основные функциональные элементы приемопередающего устройства для беспроводных сетей связи в субтерагерцовом диапазоне частот, работающего в верхней части миллиметрового диапазона, включают антенну, гетеродин (маломощный генератор электрических колебаний) и малошумящий усилитель, представленный в реализации данного решения в качестве усилительного каскада. Возможность генерации 4^M-QAM сигнального созвездия из необработанного потока входных битов и наоборот позволяет отказаться от использования цифро-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соответственно, выполнять (де)модуляцию в аналоговом тракте (блоки демодулятор и модулятор на Фиг. 1).

Антенна приемопередающего устройства выполнена с возможностью приема сигнала и передачи его на приемный элемент, а также передачи модифицированного сигнала от передающего элемента, на пользовательское устройство. Двухслойная патч-антенна, показанная на Фиг. 2, соединяется через фидер с микросхемой приемопередатчика.

Усилительный каскад, состоящий из трех каскадов, с трансформаторной связью показан на Фиг. 3, и выполнен с возможностью усиления сигнала и передачи усиленного сигнала на гетеродин. Каждый нейтрализованный дифференциальный каскад включает согласующие цепи межкаскадного трансформатора. Полоса пропускания трансформатора является функцией коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Усилительный каскад фильтрует основную и вторую гармоники и создает условия для формирования когерентной комбинации отфильтрованной третьей гармоники в узле считывания. Трехкаскадные усилители с трансформаторной связью сигнала позволяют решить проблему генерации сигнала в миллиметровом диапазоне на частотах выше 100 ГГц.

Схема генерации и распределения сигнала, включает гетеродин и набор умножителей чистоты, показана на Фиг. 4.

Основной синтезатор гетеродина может использовать субгармоническую систему ФАПЧ с частотой кратной желаемой частоты гетеродина на выходе; таким образом, распределительная сеть будет передавать сигнал на гораздо более низкой частоте. Затем частота гетеродина повышается цепочкой умножителей частоты. Колебание на меньшей частоте реализуется системой ФАПЧ. Частота гетеродина локально повышается до желаемой частоты каскадом местных умножителей частоты.

Умножитель частоты может быть выполнен на основе схемы из двух дифференциальных каскадов, управляющих широкополосными Т-катушками, и цепи межкаскадного согласования, где первый каскад смещен в область класса С для максимизации эффективности генерации третьей гармоники, а второй каскад действует как широкополосный усилитель.

Пример работы приемопередающего устройства для сетей субтерагерцового диапазона частот.

В режиме приема, встроенная в микросхему приемопередающего устройства, двухслойная патч-антенна улавливает поступающие электромагнитные волны и передает их в приемный модуль трансивера, где осуществляется первичная предобработка сигнала от шумов и его усиление с помощью малошумящего усилителя, представленного в данной реализации усилительным каскадом. Усиление сигнала осуществляется посредством фильтрации основной и второй гармоники и создает условия для формирования когерентной комбинации отфильтрованной третьей гармоники в узле считывания. Усиленный сигнал передается на гетеродин. Схема демодуляции непосредственно в аналоговом тракте подразумевает, что фазы сигналов гетеродина используются для управления детекторами демодулятора. Опорная фаза принятого сигнала и фаза гетеродина смещены друг относительно друга на определенную величину, определяемую разновидностью используемой модуляции сигнала; причем эта величина определяется из условия минимизации ошибки при обнаружении символов. Выход демодулятора передается в блок цифровой обработки сигналов, не являющейся частью устройства трансивера.

В режиме передачи, цифровой сигнал поступает в передающий тракт трансивера. В рамках схемы с модуляцией в аналоговом тракте модуляция сигнала происходит непосредственно в тракте гетеродина за счет использования фазы сигнала гетеродина, после чего мощность результирующего сигнала увеличивается усилителем и он подается на антенну приемопередающего устройства.

С учетом увеличения рабочей частоты трансивера и необходимостью обеспечения низкой величины фазового шума гетеродина можно предложить следующую схему его практической реализации. Основной синтезатор может использовать субгармоническую систему ФАПЧ меньшей частоты, но кратной от желаемой частоты гетеродина, что подразумевает передачу сигнала на гораздо меньшей частоте. Затем частота повышается цепочкой умножителей частоты.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Изобретение относится к области телекоммуникаций. Техническим результатом является увеличение скорости передачи данных за счет работы приемопередающего устройства в миллиметровом диапазоне и непосредственной демодуляции сигнала в аналоговом тракте. Для этого предложено приемопередающее устройство для беспроводных сетей связи в субтерагерцовом диапазоне частот, содержащее антенну, приемный и передающий модули, причем приемный модуль выполнен с возможностью приема и демодуляции сигнала в аналоговом тракте, а передающий модуль выполнен с возможностью модуляции сигнала в аналоговом тракте и передачи модифицированного сигнала на устройства с другой частотой; каскад усилителя мощности, включающий три дифференциальных каскада; схему генерации и распределения сигнала, включающую гетеродин и набор умножителей частоты, причем гетеродин выполнен с возможностью изменения длины волны сигнала и передачи модифицированного сигнала на передающий модуль, причем основной синтезатор использует субгармоническую ФАПЧ меньшей частоты с последующим повышением частоты гетеродина набором умножителей частоты. 4 ил.

Приемопередающее устройство для беспроводных сетей связи в субтерагерцовом диапазоне частот, содержащее:

антенну, выполненную с возможностью приема сигнала и передачи его на приемный модуль, а также передачи модифицированного сигнала от передающего модуля, на пользовательское устройство, причем антенна встроена в микросхему приемопередатчика в форме двухслойной патч-антенны;

приемный и передающий модули, причем приемный модуль выполнен с возможностью приема и демодуляции сигнала в аналоговом тракте, а передающий модуль выполнен с возможностью модуляции сигнала в аналоговом тракте и передачи модифицированного сигнала на устройства с другой частотой;

каскад усилителя мощности, включающий три дифференциальных каскада и выполненный по схеме с общим истоком, так что нейтрализация обратных связей происходит через перекрестно подключенные конденсаторы; согласование импедансов предыдущего и последующего каскадов осуществляется межкаскадными согласующими трансформаторами;

схему генерации и распределения сигнала, включающую гетеродин и набор умножителей частоты, причем гетеродин выполнен с возможностью изменения длины волны сигнала и передачи модифицированного сигнала на передающий модуль, причем основной синтезатор использует субгармоническую ФАПЧ меньшей частоты с последующим повышением частоты гетеродина набором умножителей частоты.